В настоящее время в пищевой промышленности особую актуальность приобрел вопрос глубокой переработки сырья.

С одной стороны, это связано с тем, что в процессе производства всегда образуются побочные продукты переработки (или вторичное сырье), в которых остается большое количество полезных белков, минералов и микроэлементов. Сырьевой компонент оказывает значительное влияние на себестоимость готовой продукции, а максимальное извлечение из сырья питательных веществ положительно отражается на эффективности производства.

С другой стороны, с каждым годом все сильнее обостряется экологическая ситуация, связанная с загрязнением окружающей среды избыточным количеством отходов. Кроме того, проблема утилизации отходов осложняется строгим нормативным регулированием, которое требует серьезных инвестиций в очистные сооружения, а также значительными штрафными санкциями в случаях нарушения экологического законодательства.

Эти тенденции определяют потребность в поиске современных и эффективных технологий для глубокой переработки вторичного сырья.

Актуальность проблемы определяется недостаточностью изучения и внедрения на российских предприятиях высокоэффективных методов и технологий глубокой переработки сырья и вторичного сырья. Например, в молочной отрасли остро стоит вопрос переработки творожной сыворотки. Вместе с тем большой интерес представляет внедрение новых технологий в процесс извлечения высококачественного белка и микроэлементов из сырья и отходов переработки куриного яйца.

Среди новейших мировых технологий, которые могут быть использованы для глубокой переработки пищевого сырья и извлечения ценных качественных элементов, наибольший интерес представляют мембранные технологии для разделения жидкостей.

Начало изучения мембранных технологий было положено еще в XVIII веке, однако получили распространение и промышленное применение они только в 60-е годы XX века. Первая обратноосмотическая мембрана высокого давления была разработана в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в 1962 году и запущена в серийное производство к началу 70-х годов. Дальнейшее развитие данных технологий было связано с мембранами низкого давления, микрофильтрацией и ультрафильтрацией, которые стали широко применяться для обработки питьевой воды. В настоящее время мембранные технологии внедрены повсеместно в процессы водоподготовки.

Предприятия пищевой промышленности также заинтересованы в использовании мембран в технологических процессах переработки пищевого сырья. Например, в молочной отрасли широко применяется ультрафильтрация. Кроме того, известно об использовании мембран в мясоперерабатывающей отрасли и процессах переработки яйца.

Мембранные технологии принято классифицировать по размеру пор мембран:

— микрофильтрация: типичный диапазон размеров пор мембран для микрофильтрации — от 0,1 до 10 мкм;

— ультрафильтрация: размер пор ультрафильтрационных мембран — от 0,01 до 0,1 мкм;

— нанофильтрация: размер пор мембран нанометровый — обычно 1–10 нм;

— обратный осмос: минимальный размер пор мембран — до 1 нм (0,0001–0,001 мкм).

Принцип действия мембранной технологии основан на теории осмоса. В зависимости от размера пор мембран с применением давления или без можно разделять жидкости и выделять молекулы с разной молекулярной массой. Это позволяет получать из сырьевого материала разнообразные вещества, которые могут быть переработаны в высокоприбыльные продукты.

Преимущество мембранных технологий состоит не только в том, что можно разделять компоненты жидкостей с разной молекулярной массой, но и в том, что это можно делать без нагрева, а также без применения агрессивных химических веществ, что в свою очередь позволяет сохранять нативные свойства белков и получать продукты высокого качества. Низкая энергозатратность также существенно влияет на экономическую эффективность работы предприятия.

Вместе с тем основной проблемой, связанной с применением мембранных технологий, является стоимость эксплуатации мембран: в процесс использования мембраны забиваются, что требует их очищения, а также периодической замены. Однако, несмотря на это, преимущества их использования на производстве очевидны.

Как уже обозначено ранее, применение мембран с разными размерами пор позволяет достигать высокой степени разделения и концентрирования белков и других питательных веществ. Регулируя размер пор в соответствии с молекулярной массой микронутриентов, можно извлекать из вторичного сырья компоненты с высокой пищевой и коммерческой ценностью, например при разделении молочного сырья или вторичного молочного сырья (сыворотки) для получения концентратов сывороточных белков, пермеата или безлактозного пермеата, лактозы, жирового концентрата и т. д.

Кроме того, мембраны позволяют разделять и концентрировать вязкие белковосодержащие продукты. В настоящее время разработаны и внедрены мембранные технологии производства концентратов яичного белка, коллагеновых концентратов и др.

Еще одним важным свойством мембранных технологий является возможность разделения жидкостей и смесей без нагрева.

Использование мембранных технологий не требует высокой температуры для разделения жидкостей и концентрирования белков, что положительно влияет на качественные характеристики продуктов. При извлечении белка на мембранах улучшаются такие показатели, как растворимость, взбиваемость, насыпная плотность готового продукта. Также отсутствие воздействия высокой температуры или высококонцентрированных вспомогательных технологических добавок позволяет получать продукты с качественными сенсорными характеристиками (например, сохранение цвета с высокими сенсорными характеристиками).

Наибольшую эффективность при разделении жидкостей обеспечивает обратный осмос, однако в последнее время появились исследования, демонстрирующие высокие результаты применения прямого осмоса в мембранном разделении, что даже более эффективно для некоторых органических сред, чем обратный осмос, особенно при разделении высоковязких белковых сред (например, белок куриного яйца).

Дополнительным преимуществом использования мембранных технологий является возможность получения продуктов, соответствующих высоким требованиям пищевой безопасности. Правильный подбор размера пор мембран позволяет осуществлять очистку от микроорганизмов без применения пастеризации и стерилизации. Такая технология широко распространена в молочной промышленности (в ультрафильтрационных сепараторах).

Стоит отметить, что каждый из методов мембранного разделения жидкостей применяется для определенных задач, с учетом свойств сырьевого материала. Однако наибольшую результативность и экономическую эффективность можно достичь, комбинируя эти технологии.

На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что мембранные технологии являются перспективным направлением исследований. Они позволяют разделять и концентрировать белковосодержащие среды без применения агрессивных высокотемпературных и химических методов, что положительно влияет на сохранение потребительских свойств извлекаемого белка, таких как растворимость, насыпная плотность, взбиваемость и сенсорные характеристики.

При использовании мембранных технологий можно достигать разделения жидкостей до заданной молекулярной массы, что позволяет максимально извлекать элементы с необходимой молекулярной массой. Это обеспечивает глубокую переработку сырья, влияющую в свою очередь на эффективность производства.

Отдельные направления пищевой отрасли, в частности молочная промышленность, не только ощущают значительные потери при отсутствии технологии переработки вторичного сырья, но и вынуждены затрачивать дополнительные средства на утилизацию отходов производства или продавать их в качестве сырья для других отраслей по низким ценам. Переработка вторичного сырья с помощью мембранных технологий является адекватным способом управления отходами производства.

Таким образом, развитие мембранных технологий в России для переработки вторичного сырья и внедрение соответствующего оборудования в технологические цепочки на предприятиях являются перспективными направлениями, особенно в молочной отрасли при переработке творожной сыворотки, а также их использование целесообразно при переработке яйца.

Литература:

1. Кулагин, В. А. Актуальные тенденции развития мембранных технологий / В. А. Кулагин, О. А. Ивченко, Л. В. Кулагина // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. — 2017. — № 10 (1). — С. 24–35.
2. Rajindar, S. Membrane Technology and Engineering for Water Purification. Application, Systems Design and Operation / S. Rajindar. — 2 ^nd ed. —[S. l.]: Elsevier Ltd., 2015. — 450 p.
3. The Future of Food and Agriculture. Alternative Pathways to 2050. — Rome : FAO, 2018. — URL: http://www.fao.org/3/I8429EN/i8429en.pdf
4. Vandana, N. Membrane Processing in the Dairy Industry: Challenges and Future Perspective / N. Vandana, K. S. M. S Raghavarao, K. Anki Reddy // Next Sustainability. — 2026. — Vol. 7. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.nxsust.2026.100341
5. Singh, A. B. Environmental Sustainability of Milk Production: A Comparative Environmental Impact Analysis and Sustainability Evaluation / A. B. Singh, V. Bhakar, G. Gaurav [et al.] // Front. Sustain. — 2024. — Vol. 5. — P. 1352572. — DOI: 10.3389/frsus.2024.1352572
6. Reig, M. Use of Membrane Technologies in Dairy Industry: An Overview / M. Reig, X. Vecino, J. L. Cortina // Foods. — 2021. — Vol. 10, no. 11. — P. 2768. — DOI: https://doi.org/10.3390/foods10112768
7. Zscherpe, C. Development of a Reverse Osmosis and Nanofiltration Membrane Cascade to Produce Skim Milk Concentrate / C. Zscherpe, C. Weissgerber, S. Schwermann, // J. Food Eng. — 2023. — Vol. 343. — P. 111376. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2022.111376
8. Liu, J. A New Membrane Based Process to Isolate Immunoglobulin from Chicken Egg Yolk /J. Liu, J. Yang, H. Xu // Food Chemistry. — 2010. — Vol. 122, no. 3. — P. 747–752. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2010.03.048